高应力软岩巷道置孔释压支护理论与技术研究
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摘要
目前对于高应力软岩巷道支护方式可归结为以下几方面：一是被动刚性支护；二是联合支护；三是刚柔耦合支护；四是卸压支护等。这几种支护方式虽然在高应力软岩巷道中取得了一定的支护效果。但是,由于支护体强度有限、巷道开挖量大、围岩扰动破坏严重和返修率高等原因,使巷道总是处于不稳定状态。为了从根本上解决高应力软岩巷道支护难题,本文研制出了一种新型置孔释压材料,将该材料应用于高应力软岩巷道支护中,并首次提出释压支护理念和置孔释压一次成巷支护技术,该技术具有支护效果好,置孔释压综合承载力高,围岩稳定,巷道开挖量小、一次成巷无需翻修等特点。以下为本文的主要研究成果：
(1)通过对目前高应力软岩巷道支护技术研究,分析支护过程中存在的难题和缺点,首次提出针对高应力软岩巷道采用置孔释压材料实现置孔释压的支护理念。
(2)利用X射线荧光光谱分析法(XRF)、筒压强度试验、软化系数测定、安定性测试技术、坚固性测试和吸水率测试等手段,通过试验分析粉煤灰、煤矸石和仿钢纤维特性。选出适合释压材料的原材料。
(3)通过抗压强度试验、显微CT、扫描电镜、抗腐蚀性、抗疲劳性试验。从微观结构和宏观力学两方面出发,分析比较了不饱和聚酯树脂纤维、水泥纤维、环氧树脂纤维和酚醛树脂纤维释压材料加入仿钢纤维前后的抗压强度、密实度。最终确定选用不饱和聚酯树脂纤维材料为释压材料。释压材料配合比为：不饱和聚酯树脂：煤矸石：粉煤灰=1：4.8：0.35,仿钢纤维掺量为2%。
(4)通过对释压材料的孔形、孔数和置孔率研究,确定了孔形为圆形、置孔率为35%、孔数为18孔的不饱和聚酯树脂纤维释压材料作为一种新型置孔释压材料,并确定了置孔释压材料的主要力学参数。
(5)基于对高应力软岩巷道弹塑性理论和能量理论研究,分析了置孔释压材料释压机理；围岩应力与释放压力及支护体的关系；围岩变形量和置孔释压材料释压量的关系,得出预设破碎区可以有效降低高应力软岩巷道破碎区半径。提出了置孔释压材料最佳释压量概念和高应力软岩巷道预设破碎区支护理念。
(6)基于对高应力软岩巷道置孔释压支护结构模型的建立,通过置孔释压材料相似模拟和数值模拟支护结构研究,首次提出了一种适合于高应力软岩巷道置孔释压支护的新方法和一次成巷支护技术。
Now the high stress soft rock roadway can sum up the several aspects:one is the passive rigid support; two is the combined support; three is the rigid-flexible coupling support; four is the pressure relief support.Although these four support methods have achieved certain supporting effect in soft rock roadway with high stress, the roadway is unstable because of the limited support strength, larger excavation, serious disturbance and damage to surrounding rock and higher shop visit rate.In order to solve essentially the problem of high stress soft rock roadway support, this paper developed a new set pore pressure release material using in high stress soft rock roadway, and put forward a new support ideas and support technology of hole pressure releif which has good supporting effect,high comprehensive bearing capacity, the stability of surrounding rock and small excavation. The main research results are as follows:
(1) A new support concept that relief materials receiving hole is in the high stress soft rock roadway is proposed based on the available supporting technicals and existing problems for high stress soft rock roadway.
(2) The suitable raw materials for pressure relief materials are selected by comparing the fly ash, coal gangue and copying steel fiber though X ray fluorescence (XRF), the cylinder pressure strength test, softening coefficient, stability test, consistency test and water absorption test.
(3) Through the compressive strength test, the micro-CT, scanning electron microscope, corrosion resistance and fatigue resistance experiment, from the two aspects of microscopic structure and macroscopic mechanics, analyzing the compressive strength and density of these pressure relief materials including unsaturated polyester resin fiber, fiber cement, epoxy resin fiber and phenolic resin fiber, compaction pressure material,the best pressure relief material is unsaturated polyester resin fiber and Mix:1:4.8:0.35, adding2%copying steel fiber.
(4) Through analyzing the hole shape and hole rate of pressure release materia, a new relief materials receiving hole is determined which is unsaturated polyester resin fiber with round hole,35%hole rate,18holes, and whose main mechanics are also determined.
(5) Based on the research on elastic-plastic theory and energy theory of high stress soft rock roadway, this paper analyzes the pressure relief mechanism of porous pressure relief material; analyzing the relationship among stress, pressure relief of surrounding rock and support;analyzing the relationship between deformation of surrounding rock and the pressure relief quantity of porous material; having a conclusion that preset broken zone can effectively reduce the broken zone radius in high stress soft rock roadway;proposing the optimum amount of pressure relief of porous pressure release material and the theory on preset crushing zone in high stress soft rock roadway.
(6) Based on the structural model of hole pressue relief in the high stress soft rock roadway, through the similar simulation and numerical simulation study of the porous pressure relief in supporting, a new support method and once roadway technology suitable for high stress soft rock roadway.
(1)通过对目前高应力软岩巷道支护技术研究,分析支护过程中存在的难题和缺点,首次提出针对高应力软岩巷道采用置孔释压材料实现置孔释压的支护理念。
(2)利用X射线荧光光谱分析法(XRF)、筒压强度试验、软化系数测定、安定性测试技术、坚固性测试和吸水率测试等手段,通过试验分析粉煤灰、煤矸石和仿钢纤维特性。选出适合释压材料的原材料。
(3)通过抗压强度试验、显微CT、扫描电镜、抗腐蚀性、抗疲劳性试验。从微观结构和宏观力学两方面出发,分析比较了不饱和聚酯树脂纤维、水泥纤维、环氧树脂纤维和酚醛树脂纤维释压材料加入仿钢纤维前后的抗压强度、密实度。最终确定选用不饱和聚酯树脂纤维材料为释压材料。释压材料配合比为：不饱和聚酯树脂：煤矸石：粉煤灰=1：4.8：0.35,仿钢纤维掺量为2%。
(4)通过对释压材料的孔形、孔数和置孔率研究,确定了孔形为圆形、置孔率为35%、孔数为18孔的不饱和聚酯树脂纤维释压材料作为一种新型置孔释压材料,并确定了置孔释压材料的主要力学参数。
(5)基于对高应力软岩巷道弹塑性理论和能量理论研究,分析了置孔释压材料释压机理；围岩应力与释放压力及支护体的关系；围岩变形量和置孔释压材料释压量的关系,得出预设破碎区可以有效降低高应力软岩巷道破碎区半径。提出了置孔释压材料最佳释压量概念和高应力软岩巷道预设破碎区支护理念。
(6)基于对高应力软岩巷道置孔释压支护结构模型的建立,通过置孔释压材料相似模拟和数值模拟支护结构研究,首次提出了一种适合于高应力软岩巷道置孔释压支护的新方法和一次成巷支护技术。
Now the high stress soft rock roadway can sum up the several aspects:one is the passive rigid support; two is the combined support; three is the rigid-flexible coupling support; four is the pressure relief support.Although these four support methods have achieved certain supporting effect in soft rock roadway with high stress, the roadway is unstable because of the limited support strength, larger excavation, serious disturbance and damage to surrounding rock and higher shop visit rate.In order to solve essentially the problem of high stress soft rock roadway support, this paper developed a new set pore pressure release material using in high stress soft rock roadway, and put forward a new support ideas and support technology of hole pressure releif which has good supporting effect,high comprehensive bearing capacity, the stability of surrounding rock and small excavation. The main research results are as follows:
(1) A new support concept that relief materials receiving hole is in the high stress soft rock roadway is proposed based on the available supporting technicals and existing problems for high stress soft rock roadway.
(2) The suitable raw materials for pressure relief materials are selected by comparing the fly ash, coal gangue and copying steel fiber though X ray fluorescence (XRF), the cylinder pressure strength test, softening coefficient, stability test, consistency test and water absorption test.
(3) Through the compressive strength test, the micro-CT, scanning electron microscope, corrosion resistance and fatigue resistance experiment, from the two aspects of microscopic structure and macroscopic mechanics, analyzing the compressive strength and density of these pressure relief materials including unsaturated polyester resin fiber, fiber cement, epoxy resin fiber and phenolic resin fiber, compaction pressure material,the best pressure relief material is unsaturated polyester resin fiber and Mix:1:4.8:0.35, adding2%copying steel fiber.
(4) Through analyzing the hole shape and hole rate of pressure release materia, a new relief materials receiving hole is determined which is unsaturated polyester resin fiber with round hole,35%hole rate,18holes, and whose main mechanics are also determined.
(5) Based on the research on elastic-plastic theory and energy theory of high stress soft rock roadway, this paper analyzes the pressure relief mechanism of porous pressure relief material; analyzing the relationship among stress, pressure relief of surrounding rock and support;analyzing the relationship between deformation of surrounding rock and the pressure relief quantity of porous material; having a conclusion that preset broken zone can effectively reduce the broken zone radius in high stress soft rock roadway;proposing the optimum amount of pressure relief of porous pressure release material and the theory on preset crushing zone in high stress soft rock roadway.
(6) Based on the structural model of hole pressue relief in the high stress soft rock roadway, through the similar simulation and numerical simulation study of the porous pressure relief in supporting, a new support method and once roadway technology suitable for high stress soft rock roadway.
引文
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